為什么說(shuō)能量采集是物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)?

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)這一新興技術(shù)憑借其可使物與物實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。從智能音箱到智能手機(jī)，從物流供應(yīng)鏈上的射頻識(shí)別標(biāo)簽到可穿戴智能健身追蹤器，物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用徹底改變了我們的生活方式。

特別是近年來(lái)，數(shù)字化發(fā)展成為全球各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的共識(shí)，物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備和傳感器的新增數(shù)量更是與日俱增，極大地推動(dòng)了各個(gè)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型速度。但就是在這么一片形式向好的大環(huán)境下，物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模卻并未得到高速增長(zhǎng)。

根據(jù)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)IoT AnaIytics發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)跟蹤報(bào)告顯示：截止2021年，全球物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際連接數(shù)僅為117億，雖在逐年增長(zhǎng)，卻與之前各大機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)的2021年達(dá)到萬(wàn)億市場(chǎng)的目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)。

2015年至2021年物聯(lián)網(wǎng)預(yù)測(cè)以及實(shí)際取得的連接數(shù)

物聯(lián)網(wǎng)增長(zhǎng)之所以不及預(yù)期，存在諸多方面的原因。但從整個(gè)產(chǎn)業(yè)目前的共同遭遇來(lái)看，持續(xù)的成本投入、過(guò)大的傳感器及電池尺寸、壽命限制是阻礙物聯(lián)網(wǎng)高速增長(zhǎng)的三大主要挑戰(zhàn)。

物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)一：持續(xù)的成本投入

現(xiàn)實(shí)中，企業(yè)想要采集數(shù)據(jù)實(shí)施新的數(shù)字化運(yùn)營(yíng)方式，需部署大量的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，這的確是一筆不小的投資，但隨著產(chǎn)業(yè)的不斷成熟，傳感器的采購(gòu)成本并不會(huì)給企業(yè)帶來(lái)很重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

與之相反，安裝和維護(hù)才是企業(yè)付出高成本的主要原因。目前，傳感器主要采用小部分布線(xiàn)供電和大部分電池供電兩種方式，于前者而言，大量的傳感器部署必將造成額外的線(xiàn)材成本和人力成本；部署后可能存在的線(xiàn)路損壞和排查也會(huì)帶來(lái)不小的成本投入。 

若采用電池供電，優(yōu)勢(shì)在于安裝更加便捷，但礙于電池有限的續(xù)航，當(dāng)設(shè)備安裝完畢之后，企業(yè)還需要安排人力定期更換電池以維系物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，在產(chǎn)品運(yùn)行的全生命周期內(nèi)，往往需要3次以上的電池更換和維護(hù)，若需要維護(hù)的傳感器數(shù)量眾多或處于偏遠(yuǎn)位置，其產(chǎn)生的綜合成本可能呈幾何級(jí)增長(zhǎng)。

因此，在推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中，這種需要前期投入+持續(xù)投入成本的特性，讓大部分企業(yè)在決策時(shí)變得更加謹(jǐn)慎。

物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)二：維護(hù)困難

投資成本高昂往往和物聯(lián)網(wǎng)增長(zhǎng)的第二個(gè)難點(diǎn)密切相關(guān)，即傳感器不確定的維護(hù)需求。不論是布線(xiàn)供電還是電池供電的傳感器，在小規(guī)模部署的情況下，人力維護(hù)基本可以保障整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，但一旦傳感器的部署數(shù)量達(dá)到百億乃至千億時(shí)，維護(hù)工作將充滿(mǎn)巨大挑戰(zhàn)。

設(shè)想一下，為一萬(wàn)只電池供電的智慧水表依靠傳統(tǒng)人工提供維保是能夠完成的的，當(dāng)這個(gè)數(shù)量上升到十萬(wàn)、百萬(wàn)級(jí)別持續(xù)的維護(hù)就讓企業(yè)變得難受起來(lái)，如果這個(gè)數(shù)量達(dá)到幾億、幾十億之后呢？屆時(shí)，面臨數(shù)目巨大且分布零散的維護(hù)需求，企業(yè)所需付出的人力和物力成本將達(dá)到一個(gè)恐怖的數(shù)字。以此類(lèi)推其他需要大范圍、大規(guī)模部署的傳感設(shè)備，也將面臨同樣的難題。

除了維護(hù)非常困難之外，對(duì)于需要長(zhǎng)期采集數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)性顯得尤為關(guān)鍵，無(wú)電后更換電池前的空窗期難免會(huì)造成數(shù)據(jù)缺失，數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性得不到保障。

若在此階段發(fā)生意外性事件，只會(huì)造成更大損失。其次，設(shè)備本身消耗電量的不一致導(dǎo)致為設(shè)備更換電池的時(shí)間節(jié)點(diǎn)也并不同步，當(dāng)傳感器數(shù)量眾多時(shí)，這種偶發(fā)性事件將會(huì)變成常態(tài)事件，對(duì)于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行造成極大影響。

物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)三：壽命限制

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備想要持續(xù)運(yùn)行，穩(wěn)定的供電是必備條件。目前，IoT節(jié)點(diǎn)主要實(shí)行小部分采用布線(xiàn)供電和大部分采用電池供電兩種方式，隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的多元化，布線(xiàn)供電這一復(fù)雜且高成本的供電方式已逐漸顯得力不從心。

反觀電池供電，卻因?yàn)楹?jiǎn)單便捷的形式博得了行業(yè)的喜愛(ài)。但這并非毫無(wú)代價(jià)，眾所周知，設(shè)備的續(xù)航時(shí)間取決于功率需求的限制，功耗越低續(xù)航越久，功耗越高續(xù)航越短。想要延長(zhǎng)物聯(lián)設(shè)備續(xù)航時(shí)長(zhǎng)的唯一方法就是降低功耗或者增加儲(chǔ)能模塊尺寸。很顯然，無(wú)論哪種結(jié)果都與現(xiàn)行的需求相背離。

更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間意味著更多的電池?cái)?shù)量

組成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的元件之中，能量?jī)?chǔ)存模塊的尺寸尤為突出，這主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常采用電池供電，如若縮減該模塊尺寸必將同步減少電池?cái)?shù)量，繼而導(dǎo)致設(shè)備續(xù)航時(shí)間大幅縮短。

如果想要維持設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的正常運(yùn)行，則必須定期更換電池。前期部署少量設(shè)備還可以勉強(qiáng)支撐，但當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備部署規(guī)模擴(kuò)大至百億千億級(jí)時(shí)，這將會(huì)為后期的維護(hù)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

首先，為數(shù)目眾多的終端設(shè)備更換電池勢(shì)必帶來(lái)高昂的人力物力成本，其次，對(duì)于需要長(zhǎng)期采集數(shù)據(jù)的設(shè)備來(lái)說(shuō)，更換電池前的空窗期難免會(huì)造成數(shù)據(jù)缺失，且設(shè)備本身消耗電量的不一致導(dǎo)致為設(shè)備更換電池的時(shí)間節(jié)點(diǎn)也不一致，這也是一個(gè)難以解決的問(wèn)題；最后，數(shù)量龐大的廢棄電池將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，這主要是因?yàn)殡姵刂惺褂昧硕囝?lèi)污染物材料。

近年來(lái)，隨著便攜式技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于電池的依賴(lài)急劇提高。根據(jù)中研普華出版的《2020-2025年中國(guó)鋰電池及其負(fù)極材料回收再利用市場(chǎng)投資規(guī)劃研究報(bào)告》顯示：全球如今每年廢棄的鋰電池超過(guò)50萬(wàn)噸，其中大部分源自小型電子產(chǎn)品。

預(yù)計(jì)到2030年，全球?qū)︿囯姵氐男枨髮⒃黾?0倍。這將直接導(dǎo)致制造電池的原材料（如鋰、鋅、鈷和錳）儲(chǔ)備量極速下降，倘若按照這個(gè)趨勢(shì)發(fā)展下去，物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)能否持續(xù)依賴(lài)電池供電將充滿(mǎn)極大的不確定性。

集邦咨詢(xún)：2020-2025年全球鈷的供需情況及預(yù)測(cè)

基于布線(xiàn)和電池供電的物聯(lián)網(wǎng)所存在的成本及環(huán)境污染等問(wèn)題，推動(dòng)了業(yè)界對(duì)物聯(lián)設(shè)備替代供電方案的研究，并一致認(rèn)為新的形式應(yīng)具備更加精簡(jiǎn)、更低成本、電源更好管理三大特點(diǎn)。在種種設(shè)計(jì)思路中，以環(huán)境能量作為發(fā)電介質(zhì)的能量采集脫穎而出，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署的關(guān)鍵技術(shù)之一。

飛英思特能量采集促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

在我們生活的環(huán)境當(dāng)中，存在著諸多微弱的能量，例如光能、振動(dòng)能、RF射頻能、TEG溫差能等等，通過(guò)能量采集技術(shù)將這些能量進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)化為電能，可使設(shè)備能夠無(wú)限期運(yùn)行而免布線(xiàn)、免更換電池，不僅減少了整體運(yùn)營(yíng)成本，還能避免電池污染。

在能量采集技術(shù)供電方案下，設(shè)備儲(chǔ)能模塊的電池將被超級(jí)電容所替代，從而為設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)提供了客觀條件，大大拓寬了物聯(lián)網(wǎng)終端的應(yīng)用領(lǐng)域。但是目前用于能量收集的電源管理IC（PMIC）往往需要大量的外部硬件工程來(lái)確定如何調(diào)節(jié)能量收集換能器的輸入及IC保護(hù)等，這將增加整體物料（BOM）成本和額外的空間。

飛英思特作為領(lǐng)先的無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)科技企業(yè)，基于自研的能量采集技術(shù)，推出了微能量管理模組解決方案和微能量管理芯片解決方案，得益于高度集成的設(shè)計(jì)，大幅降低了后續(xù)的開(kāi)發(fā)難度，工程師只需將換能器（如光伏電池）插入能量管理模組/芯片，再將后端電路連接到輸出即可快速完成無(wú)源產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)。

能量采集技術(shù)原理

通過(guò)搭載飛英思特的供電解決方案，設(shè)備的供電難題和高昂持有成本將被徹底打破，憑借其高效穩(wěn)定的微能量采集和管理技術(shù)，產(chǎn)品無(wú)需布線(xiàn)、無(wú)需更換電池即可實(shí)現(xiàn)其生命周期內(nèi)的永久續(xù)航，不受場(chǎng)景或電池壽命造成的供電限制，綜合成本也將得到大幅下降。

應(yīng)用方面，飛英思特所提供的兩種能量整體解決方案擁有巨大的想象空間，幾乎可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)行業(yè)的低功耗設(shè)備，例如會(huì)展行業(yè)的智能電子胸牌、數(shù)碼產(chǎn)品行業(yè)的智能手表、健身行業(yè)的可穿戴式健身追蹤器等等。

此類(lèi)低功耗的設(shè)備通過(guò)搭載微能管理模組/芯片，不僅能大幅提高設(shè)備的續(xù)航時(shí)長(zhǎng)，條件滿(mǎn)足的前提下甚至還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備生命周期內(nèi)的永久續(xù)航。于企業(yè)而言，打造此類(lèi)開(kāi)發(fā)成本更低且無(wú)需維護(hù)的設(shè)備，將顯著提升自身的市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

從上述可見(jiàn)，供電問(wèn)題可能是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至今所遭遇的最大瓶頸之一，更大范圍的應(yīng)用需求迫使著物聯(lián)網(wǎng)作出新的改變，可設(shè)備的整體尺寸和續(xù)航都是開(kāi)發(fā)者必須所考慮的因素，傳統(tǒng)的供電方式很難兩者兼顧。

如今，采取全新的能量管理解決方案，不僅可以解決此類(lèi)難題，開(kāi)發(fā)成本也將隨之降低。對(duì)于整個(gè)行業(yè)而言，這一創(chuàng)新技術(shù)的意義更加重大，它不僅重續(xù)了物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的道路，還提高了運(yùn)營(yíng)效率，使可持續(xù)變成現(xiàn)實(shí)。